乳化劑濃度對乳化瀝青殘留物性能影響

2013-03-22 09:15:38張文華閆文俊

建材世界 2013年2期

張文華，閆文俊，李尋，魏歡

（1.通遼市環宇公路監理咨詢有限責任公司，通遼028000；2.正鑲白旗查汗淖爾養路工區，明安圖013800；3.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點試驗室，武漢430070；）

乳化瀝青是乳化劑和熱融瀝青經機械力強制剪切，將瀝青微粒均勻分散在乳化劑的水介質中而成的乳狀液。乳化瀝青包含三種基本成分：即瀝青、水和乳化劑。在一些情況下，瀝青乳液中也會摻加穩定劑、增強劑、滲透劑等添加劑來控制乳化瀝青破乳時間，改善工作性能。乳化劑的作用是降低瀝青表面張力，吸附在瀝青液滴表面，使瀝青微粒更好的以乳膠束形式分布，也起著穩定劑的作用。普通的乳化瀝青乳液中包含40%～70%基質瀝青，0.1%～2.5%的乳化劑，30%～60%的水及一些其它成分。乳化瀝青從分散相的形式上一般可分為水包油（O／W）型、油包水（W／O）型以及復合型（W／O／W）三種乳液類型。在水包油（O／W）型乳液中，連續相是水，分散相為瀝青；當基質瀝青含量逐漸增加并達到一定程度，則開始形成與之相反的油包水（W／O）型乳液，其中連續相是瀝青，而水是分散相；乳化瀝青也可以形成較為復雜的結構，比如在復合型（W／O／W）乳化瀝青系統中，分散相中可以含有其它的組成成分，并且這一成分可以不與連續相成分相同，如圖1所示。

乳化瀝青殘留物性能決定著乳化瀝青的使用性能。而乳化瀝青殘留物的性能又與乳化劑濃度有著必然聯系，該文采用動態剪切流變儀（DSR試驗儀）測試殘留物復合模量的方法，比對分析3種不同乳化劑濃度的乳化瀝青殘留物，分析乳化劑濃度對乳化瀝青殘留物性能的影響關系。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

1）基質瀝青：試驗采用盤錦90＃A級道路石油瀝青，其主要性能為：軟化點（環球法）45.5℃，針入度（100g，25℃，5s）（0.1mm）98，延度（15℃）＞120cm.。

2）乳化劑：制備乳化瀝青的三種乳化劑分別命名為CS1、CS2和CS3。乳化瀝青的信息如表1所示。3種乳化瀝青的乳化劑濃度隨著標號的增大而增加，其中CS2的乳化劑濃度為實際生產的乳化瀝青乳化劑濃度。試驗中的所有材料均來自于荷蘭乳化劑公司，并且未加任何處理。所有的乳化瀝青在使用之前均會進行振蕩操作并用玻璃棒進行攪拌，達到取樣均勻的效果。

表1 乳化劑信息

3）其它外摻劑：無，為防止外摻劑對殘留物性能的影響，該試驗在制備乳化瀝青過程只使用基質瀝青、乳化劑和蒸餾水3種材料。

1.2 乳化瀝青殘留物制備工藝

為更好的模擬乳化瀝青在實際路面服役過程中的環境，該研究使用EN 13074乳化瀝青的殘留物作為研究對象。在整個流程中，根據時間和溫度制度的不同分為3個階段，如圖2所示。

1.3 試驗方法

該試驗采用美國TA公司研制的動態剪切流變儀DSR（AR2000ex）來表征乳化瀝青殘留物和純瀝青的流變性能，儀器裝有控溫室，并采用液氮控制溫度，控溫精度可達±0.1℃。試驗采用的頻率范圍為0.3～400rad／s，采用應變控制模式，在同一溫度下不同頻率的掃描過程中，施加給測試樣品的應變為恒定值并確保在材料的線性粘彈性范圍內。試驗的溫度同樣選取為8個溫度點：－10℃，0℃，10℃，20℃，25℃，35℃，45℃和55℃。

1）殘留物應變掃描：由于生產三種乳化瀝青的源瀝青相同，試驗采取隨機選取乳化瀝青的殘留物進行應變掃描，確定瀝青的線性粘彈性范圍，

2）殘留物頻率掃描：從應變掃描所得的線性粘彈性范圍中選取應變進行頻率掃描，得到復數模量與乳化劑濃度在不同溫度點的數據結果。

2 結果與分析

2.1 殘留物應變掃描分析

應變掃描分析結果見圖3，線性粘彈性范圍可以定義為一個較小的應變區間，在這個應變區間內復數模量大小不受施加應變水平的影響。SHRP報告中將線性粘彈性范圍定義為在應變掃描試驗過程中，復數模量G＊下降到95%之前的應變區域。如圖3所示，就乳化瀝青殘留物來說，隨著測試溫度的升高，復數模量G＊的值下降，且溫度越高，G＊的值越小。在材料的線性粘彈性范圍內，G＊不為應變的函數，即G＊不隨施加的應變水平變化而變化，呈現一條直線。隨著應變水平的增加，G＊開始有下降的趨勢，當施加的應變水平進入非線性粘彈性范圍，復數模量開始出現明顯的下降。同時試驗過程中發現，在測試溫度較低的情況下，當應變水平很小的時候G＊就開始出現下降，同時可以觀察到材料出現破壞，在這些溫度點下無法評價此時的應變水平。從所得到瀝青線性粘彈性范圍內選取應變進行頻率掃描試驗。

2.2 殘留物頻率掃描分析

如圖4所示，基于不同測試溫度下的頻率掃描結果，以20℃為參考溫度，按照時溫等效原則進行平移，則可以得到關于復數模量和相位角的主曲線，從更廣泛的溫度或頻率范圍評價乳化瀝青殘留物及純瀝青的粘彈性能。

主曲線擬合結果表明：CS3乳化瀝青的殘留物的復合模量比CS1，CS2大，但是在整個頻率域范圍內CS3相位角卻比CS1，CS2的相位角小，表明材料的性能向更加趨于彈性發展。當CS2與CS1比較時，同樣地，在低頻區域即對應高溫從相位角和復合模量大小比較，CS2殘留物的性能也向彈性方向發展。由此可知，隨著乳化劑的增加，乳化瀝青物的彈性部分增加。這說明一定范圍內的乳化劑濃度增加有利于乳化瀝青殘留物在高溫下具有更好的抵抗變形能力。